(57)【要約】【課題】高分子電解質膜の劣化を十分に抑制する膜−電極接合体及び高分子電解質形燃料電池を提供する。【解決手段】第１膜補強部材は、該第１膜補強部材の内縁部の少なくとも一部に、内縁部が波状に形成され、第１膜補強部材の開口部の中心側に突出する複数の第１凸部と複数の第１凸部の間に画成される第１凹部とを有する第１波状部分を有し、第１凸部の少なくとも一部と第２膜補強部材とは、高分子電解質膜の厚み方向から見て、互いに重ならないように配置され、第１凹部の少なくとも一部と第２膜補強部材とは、高分子電解質膜の厚み方向から見て、互いに重なるように配置されている。【選択図】図１
2010108803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と、
開口部を有し、前記高分子電解質膜の周縁部の両面に互いに対向するように配置される１対の第１膜補強部材及び第２膜補強部材と、
を有しており、
前記第１膜補強部材は、該第１膜補強部材の内縁部の少なくとも一部に、内縁部が波状に形成され、前記第１膜補強部材の前記開口部の中心側に突出する複数の第１凸部と前記複数の第１凸部の間に画成される第１凹部とを有する第１波状部分を有し、
前記第１凸部の少なくとも一部と前記第２膜補強部材とは、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、互いに重ならないように配置され、
前記第１凹部の少なくとも一部と前記第２膜補強部材とは、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、互いに重なるように配置されている、膜−膜補強部材接合体。
【請求項２】
開口部を有し、前記高分子電解質膜の周縁部の両面に互いに対向するように配置される１対の第１膜補強部材及び第２膜補強部材と、
を有しており、
前記第２膜補強部材は、該第２膜補強部材の内縁部の少なくとも一部に、内縁部が波状に形成され、前記第２膜補強部材の前記開口部の中心側に突出する複数の第２凸部と前記複数の第２凸部の間に画成される第２凹部とを有する第２波状部分を有し、
前記第１凸部の少なくとも一部と前記第２凹部の少なくとも一部とは、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、互いに重なるように配置され、
前記第１凹部の少なくとも一部と前記第２凸部の少なくとも一部とは、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、互いに重なるように配置されている、請求項１に記載の膜−膜補強部材接合体。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の膜−膜補強部材接合体と、
前記膜−膜補強部材接合体の前記高分子電解質膜の一方の面のうちの前記第１膜補強部材が配置されていない領域の少なくとも一部に配置されている第１触媒層と、
前記膜−膜補強部材接合体の前記高分子電解質膜の他方の面のうちの前記第２膜補強部材が配置されていない領域の少なくとも一部に配置されている第２触媒層と、を有する、膜−触媒層接合体。
【請求項４】
請求項３に記載の膜−触媒層接合体と、
前記膜−触媒層接合体の前記第１触媒層を被覆するように配置されている第１ガス拡散層と、
前記膜−触媒層接合体の前記第２触媒層を被覆するように配置されている第２ガス拡散層と、を有する、膜−電極接合体。
【請求項５】
前記第１ガス拡散層は、前記第１触媒層と前記第１膜補強部材の少なくとも一部とを被覆するように配置されており、
前記第２ガス拡散層は、前記第２ 触媒層と前記第２膜補強部材の少なくとも一部とを被覆するように配置されている、請求項４に記載の膜−電極接合体。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の膜−電極接合体を有する、高分子電解質形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜−膜補強部材接合体、膜−触媒層接合体、膜−電極接合体、及び高分子電解質形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質形燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化ガスを白金などの触媒層を有するガス拡散電極に供給し、電気化学的に反応させて電気と熱とを発生させる。この高分子電解質形燃料電池は、一般的に、水素イオンを輸送する高分子電解質膜の両面に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を触媒と水素イオン伝導性高分子電解質とを混合した一対の触媒層が形成されている。さらに、この触媒層の外側に、ガス通気性及び電子伝導性を併せ持つ、一対のガス拡散層が形成されている。このガス拡散層としては、例えば、撥水処理を施したカーボンペーパーが用いられる。この触媒層とガス拡散層とを合わせてガス拡散電極と呼ぶ。このガス拡散電極及び高分子電解質膜を一体化したものを膜−電極接合体（ＭＥＡ：membrane-electrode assembly）と呼ぶ。
【０００３】
また、燃料を供給する燃料ガスが外部に漏れたり、燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに混合したりしないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスケットを配置する。
【０００４】
ＭＥＡの両面には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための一対の導電性のセパレータを配置する。セパレータのＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路を形成する。ガス流路はセパレータと別に設けることもできるが、セパレータのＭＥＡ側の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。そして、一方のセパレータのガス流路に反応ガスとして燃料ガスが供給され、他方のセパレータのガス流路に反応ガスとして酸化剤ガスが供給され、各ガス拡散電極においてそれぞれ化学反応する。それにより、熱と共に電気が発生する。
【０００５】
一般に燃料電池は、上記のような構造の単電池を多数重ねて構成されている。燃料電池の運転時には、電力発生と共に発熱が起こる。積層電池では単電池１〜３セル毎に冷却水路等を設けることにより、電池温度を一定に保つと同時に発生した熱エネルギーを温水などの形で利用することができる。
【０００６】
スタックを締結する際、高分子電解質膜はガス拡散電極やセパレータに挟持され、端板とボルトにより締め付けられる。締め付けの圧力に耐えられるように、また、長期間の使用において磨耗等による物理的な破損が生じないように、高分子電解質膜には十分な強度を持たせる必要がある。一方、プロトン伝導性を向上させる等の理由からは、高分子電解質膜をできるだけ薄くする必要がある。従来の燃料電池では、高分子電解質膜の電極の周辺部分が劣化することが知られており、その対策として、高分子電解質膜の周縁部を補強することが提案されている（例えば、特許文献１、２）。
【特許文献１】特開平５−２１０７７号公報
【特許文献２】特開平１０−３０８２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の従来技術における高分子電解質形燃料電池では、特に高分子電解質膜と補強膜との接合部分において、高分子電解質膜の劣化を十分に抑えることができず、未だ改善の余地があった。
【０００８】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたもので、高分子電解質膜の劣化を十分に抑制する膜−電極接合体及び高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、以下のような知見を得た。
【００１０】
即ち、上記の従来技術における高分子電解質形燃料電池では、一対の補強膜の内縁部の端面が高分子電解質膜を介して互いに対向するように配置されている。スタックを締結した際には、高分子電解質膜のうち一対の補強膜の内縁部の端面の間に位置する部分が特に劣化し易いことが分かった。これは、締結による圧力が一対の補強膜の内縁部の端面の間に挟まれた高分子電解質膜の部分に特にかかり易くなっているため、高分子電解質膜の機械的な劣化が起こると考えられる。
【００１１】
そこで、本発明者らはこのような知見に基づき以下の構成を有する本発明を相当した。
【００１２】
本発明の膜−膜補強部材接合体は、高分子電解質膜と、
開口部を有し、前記高分子電解質膜の周縁部の両面に互いに対向するように配置される１対の第１膜補強部材及び第２膜補強部材と、
を有しており、
前記第１膜補強部材は、該第１膜補強部材の内縁部の少なくとも一部に、内縁部が波状に形成され、前記第１膜補強部材の前記開口部の中心側に突出する複数の第１凸部と前記複数の第１凸部の間に画成される第１凹部とを有する第１波状部分を有し、
前記第１凸部の少なくとも一部と前記第２膜補強部材とは、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、互いに重ならないように配置され、
前記第１凹部の少なくとも一部と前記第２膜補強部材とは、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、互いに重なるように配置されている。
【００１３】
この構成により、本発明の膜−膜補強部材接合体は、第１波状部分において、高分子電解質膜の厚み方向から見て、第１膜補強部材の内縁部の端面と第２膜補強部材の内縁部の端面とが、互いに重なる部分を低減ことができる。そのため、締結による圧力が特に集中する部分を低減することができ、高分子電解質膜が機械的な劣化を抑制することができる。
【００１４】
また、本発明の膜−膜補強部材接合体は、さらに、開口部を有し、前記高分子電解質膜の周縁部の両面に互いに対向するように配置される１対の第１膜補強部材及び第２膜補強部材と、
を有しており、
前記第２膜補強部材は、該第２膜補強部材の内縁部の少なくとも一部に、内縁部が波状に形成され、前記第２膜補強部材の前記開口部の中心側に突出する複数の第２凸部と前記複数の第２凸部の間に画成される第２凹部とを有する第２波状部分を有し、
前記第１凸部の少なくとも一部と前記第２凹部の少なくとも一部とは、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、互いに重なるように配置され、
前記第１凹部の少なくとも一部と前記第２凸部の少なくとも一部とは、前記高分子電解質膜の厚み方向から見て、互いに重なるように配置されている。
【００１５】
この構成により、本発明の膜−膜補強部材接合体は、第１波状部分及び第２波状部分では、高分子電解質膜の厚み方向から見て、第１膜補強部材の内縁部の端面と第２膜補強部材の内縁部の端面とが、互いに重なる箇所を低減ことができる。そのため、締結による圧力が特に集中する箇所を低減することができ、高分子電解質膜が機械的な劣化を抑制することができる。
【００１６】
また、本発明の膜−触媒層接合体は、上述の膜−膜補強部材接合体と、前記膜−膜補強部材接合体の前記高分子電解質膜の一方の面のうちの前記第１膜補強部材が配置されていない領域の少なくとも一部に配置されている第１触媒層と、前記膜−膜補強部材接合体の前記高分子電解質膜の他方の面のうちの前記第２膜補強部材が配置されていない領域の少なくとも一部に配置されている第２触媒層と、を有する。
【００１７】
また、本発明の膜−電極接合体は、上述の膜−触媒層接合体と、前記膜−触媒層接合体の前記第１触媒層を被覆するように配置されている第１ガス拡散層と、前記膜−触媒層接合体の前記第２触媒層を被覆するように配置されている第２ガス拡散層と、を有する。
【００１８】
また、本発明の膜−電極接合体は、前記第１ガス拡散層は、前記第１触媒層と前記第１膜補強部材の少なくとも一部とを被覆するように配置されており、前記第２ガス拡散層は、前記第２触媒層と前記第２膜補強部材の少なくとも一部とを被覆するように配置されている。
【００１９】
また、本発明の高分子電解質形燃料電池は、上述の膜−電極接合体を有する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は上記のような構成を有し、高分子電解質膜の機械的な劣化を抑制することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の好ましい形態を、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
［第１実施形態］
図１は本発明の膜−膜補強部材接合体の第１実施形態の基本構成の一例を示す図であって、（ａ）は膜−膜補強部材接合体１の一方の面から見た平面図、（ｂ）は膜−膜補強部材接合体１の他方の面から見た平面図、（ｃ）は（ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面を示す断面図、（ｄ）は（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面を示す断面図である。図２は、図１に示す膜−膜補強部材接合体１にさらに触媒層が配置された膜−触媒層接合体（本発明の膜−触媒層接合体の第１実施形態）の基本構成の一例を示す断面図である。また、図３は、図２に示す膜−触媒層接合体２にさらにガス拡散層が配置された膜−電極接合体（本発明の膜−電極接合体の第１実施形態）の基本構成の一例を示す断面図である。さらに、図４は、図３に示す膜−電極接合体３を有する高分子電解質形燃料電池（本発明の高分子電解質形燃料電池の第１実施形態）の基本構成の一例（単電池の部分）を示す断面図である。
【００２３】
まず、図１に示す第１実施形態の膜−膜補強部材接合体１について説明する。
【００２４】
図１（ａ）〜（ｄ）に示すように、膜−膜補強部材接合体１は、第１膜補強部材８Ａ及び第２膜補強部材８Ｂが、高分子電解質膜５の周縁部に配置されている。
【００２５】
即ち、図１（ａ）に示すように、本実施形態の第１膜補強部材８Ａは、開口部を有する環状の形状を有しており、その開口部の内縁部の全周にわたって波状の形状を有する第１波状部分１１を有している。この第１波状部分１１は、第１膜補強部材８Ａの開口部の中心側に突出するように形成された複数の第１凸部１１１を有している。複数の第１凸部１１１の間の部分をそれぞれ複数の第１凹部１１２と呼ぶ。
【００２６】
また、図１（ｂ）に示すように、本実施形態の第２膜補強部材８Ｂは、矩形の開口部を有する環状の形状を有しており、その開口部の内縁部は直線状の形状を有している。
【００２７】
図１（ａ）及び（ｃ）に示すように、本実施形態の膜−膜補強部材接合体１は、高分子電解質膜５の厚み方向から見た場合、第１膜補強部材８Ａの第１凸部１１１の少なくとも一部と第２膜補強部材８Ｂとは、互いに重ならないように配置されている。即ち、本実施形態の膜−膜補強部材接合体１は、高分子電解質膜５の厚み方向から見て、第１凸部１１１のうち開口部の中心側に位置する部分と第２膜補強部材８Ｂとは重ならないように配置されている。
【００２８】
また、図１（ａ）及び（ｄ）に示すように、本実施形態の膜−膜補強部材接合体１は、高分子電解質膜５の厚み方向から見た場合、第１膜補強部材８Ａの第１凹部１１２の少なくとも一部と第２膜補強部材８Ｂとは、互いに重なるように配置されている。即ち、本実施形態の膜−膜補強部材接合体１は、高分子電解質膜５の厚み方向から見て、第１凹部１１２のうち開口部の外側に位置する部分と第２膜補強部材８Ｂとは重なるように配置されている。
【００２９】
上述の構成により、本実施形態の膜−膜補強部材接合体１は、従来の膜−膜補強部材接合体に比べて、高分子電解質膜５の厚み方向から見た場合に、第１膜補強部材８Ａの内縁部の端面と第１膜補強部材８Ｂの内縁部の端面とが重なる部分を減らすことができる。そのため、従来の膜−膜補強部材接合体に比べて、締結した際に高分子電解質膜５の周縁部に圧力が集中してかかることを抑制することができる。これにより、高分子電解質膜５の周縁部における機械的ストレスを緩和し、高分子電解質膜５の劣化を抑制することができる。
【００３０】
なお、図１に示した膜−膜補強部材接合体１においては、第１膜補強部材８Ａ及び第２膜補強部材８Ｂの周縁部分と高分子電解質膜５の周縁部分とが一致している態様について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、高分子電解質膜５の周縁部分が第１膜補強部材８Ａの周縁部分よりも外側に突出していてもよい。また、例えば、第１膜補強部材８Ａの周縁部分が高分子電解質膜５の周縁部分よりも外側に突出していてもよい。さらに、第２膜補強部材８Ｂの高分子電解質膜５上の配置についても、上記の第１膜補強部材８Ａの高分子電解質膜５上の配置と同様にしてもよい。
【００３１】
次に、膜−膜補強部材接合体１の各構成要素について説明する。
【００３２】
高分子電解質膜５は、プロトン導電性を有している。高分子電解質膜５としては、陽イオン交換基として、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、及びスルホンイミド基を有するものが好ましく挙げられる。プロトン導電性の観点から、高分子電解質膜５は、スルホン酸基を有するものが好ましい。
【００３３】
スルホン酸基を有する高分子電解質膜を構成する樹脂としては、イオン交換容量が０．５〜１．５ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂であることが好ましい。高分子電解質膜のイオン交換容量が０．５ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂以上であると、発電時における高分子電解質膜の抵抗値の上昇をより十分に低減できるので好ましい。また、イオン交換容量が１．５ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂以下であると、高分子電解質膜の含水率が増加せず、膨潤しにくくなり、触媒層中の細孔が閉塞する恐れがないため好ましい。以上と同様の観点から、イオン交換容量が０．８〜１．２ｍｅｑ／ｇ乾燥樹脂であることが特に好ましい。
【００３４】
高分子電解質としては、ＣＦ２＝ＣＦ−(ＯＣＦ２ＣＦＸ)ｍ−Ｏｐ−(ＣＦ２)ｎ−ＳＯ３Ｈで表されるパーフルオロビニル化合物（ｍは０〜３の整数を示し、ｎは１〜１２の整数を示し、ｐは０又は１を示し、Ｘはフッ素原子又はトリフルオロメチル基を示す。）に基づく重合単位と、テトラフルオロエチレンに基づく重合単位とを含む共重合体であることが好ましい。
【００３５】
上記フルオロビニル化合物の好ましい例としては、下記式（１）〜（３）で表される化合物が挙げられる。ただし、下記式中、ｑは１〜８の整数、ｒは１〜８の整数、ｔは１〜３の整数を示す。
【００３６】
ＣＦ２＝ＣＦＯ（ＣＦ２）ｑ−ＳＯ３Ｈ      ・・・（１）
ＣＦ２＝ＣＦＯＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）Ｏ（ＣＦ２）ｒ−ＳＯ３Ｈ  ・・・（２）
ＣＦ２＝ＣＦ（ＯＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３））Ｏ（ＣＦ２）２−ＳＯ３Ｈ  ・・・（３）
また、第１膜補強部材８Ａ及び第２膜補強部材８Ｂを構成する材料としては、耐久性の観点から合成樹脂であることが好ましい。合成樹脂としては、耐久性の観点から、ポリエチレンナフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート、フルオロエチレン−プロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエーテルアミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリスルフィド、ポリイミド、及び、ポリイミドアミドからなる群より選択される少なくとも１種の合成樹脂であることが特に好ましい。
【００３７】
さらに、第１膜補強部材８Ａ及び第２膜補強部材８Ｂは、薄膜状の形状であることが好ましい。第１膜補強部材８Ａ及び第２膜補強部材８Ｂの厚さは、本発明の効果を得られる範囲であれば特に限定されないが、例えば、５〜１００μｍの厚さであることが好ましい。第１膜補強部材８Ａの厚さと第２膜補強部材８Ｂの厚さとは異なる厚さを有していてもよいが、本発明の効果をより確実に得る観点からは、第１膜補強部材８Ａの厚さと第２膜補強部材８Ｂの厚さとは等しいことが好ましい。
【００３８】
次に、図２に示す第１実施形態の膜−触媒層接合体２について説明する。
【００３９】
膜−触媒層接合体２は、高分子電解質膜５の両面の略中央にそれぞれ一対の触媒層６が配置されている。このこと以外は、図１に示した膜−膜補強部材接合体１と同様の構成を有している。
【００４０】
製造の容易さの観点から、触媒層６の厚さは、第１膜補強部材８Ａの厚さ又は第２膜補強部材８Ｂの厚さ以下であることが好ましく、等しいことがより好ましい。
【００４１】
触媒層６の構成は、本発明の効果を得られるものであれば特に限定されず、公知の燃料電池に搭載されているガス拡散電極の触媒層と同様の構成を有していてもよい。また、一対の触媒層６の構成は、互いに同一であってもよく、異なっていてもよい。
【００４２】
例えば、触媒層６の構成としては、電極触媒が担持された導電性炭素粒子と、陽イオン（水素イオン）伝導性を有する高分子電解質とを含む構成を有していてもよく、さらに、ポリテトラフルオロエチレンなどの撥水材料をさらに含む構成を有していてもよい。なお、高分子電解質としては、上述した高分子電解質膜５の構成材料と同種のものを使用してもよく異なる種類のものを使用してもよい。高分子電解質としては、高分子電解質膜５の構成材料として記載したものを使用することができる。
【００４３】
上記の電極触媒は、金属粒子（例えば貴金属からなる金属粒子）からなり、導電性炭素粒子（粉末）に担持されて用いられる。当該金属粒子は、特に限定されず種々の金属を使用することができるが、電極反応活性の観点ら、白金、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、クロム、鉄、チタン、マンガン、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、亜鉛及びスズからなる群より選択される少なくとも１種であることが好ましい。なかでも、白金及び白金との合金が好ましく、白金とルテニウムの合金が、アノードにおいては触媒の活性が安定することから特に好ましい。
【００４４】
また、電極触媒の粒子は平均粒径１〜５ｎｍであることがより好ましい。平均粒径１ｎｍ以上の電極触媒は工業的に調製が容易であるため好ましく、また、５ｎｍ以下であると、電極触媒質量あたりの活性をより十分に確保し易くなるため、燃料電池のコストダウンにつながり好ましい。
【００４５】
上記の導電性炭素粒子は比表面積が５０〜１５００ｍ２／ｇであることが好ましい。比表面積が５０ｍ２／ｇ以上であると、電極触媒の担持率を上げることが容易であり、得られた第１触媒層３１及び第２触媒層３２の出力特性をより十分に確保できることから好ましい。また、比表面積が１５００ｍ２／ｇ以下であると、十分な大きさの細孔をより容易に確保できるようになりかつ高分子電解質による被覆がより容易となり、第１触媒層３１及び第２触媒層３２の出力特性をより十分に確保できることから好ましい。上記と同様の観点から、比表面積は２００〜９００ｍ２／ｇが特に好ましい。導電性炭素粒子としては、例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等が好適に用いられる。
【００４６】
また、導電性炭素粒子は、その平均粒径が０．１〜１．０μｍであることが好ましい。０．１μｍ以上であると、触媒層６中のガス拡散性をより十分に確保し易くなり、フラッディングをより確実に防止できるようになるため好ましい。また、導電性炭素粒子の平均粒径が１．０μｍ以下であると、高分子電解質による電極触媒の被覆状態をより容易に良好な状態とし易くなり、高分子電解質による電極触媒の被覆面積をより十分に確保し易くなるため、十分な電極性能をより確保し易くなり好ましい。
【００４７】
触媒層６は、例えば、公知の燃料電池のガス拡散電極の触媒層の製造方法を用いて形成することができる。例えば、触媒層６の構成材料（例えば、電極触媒が担持された導電性炭素粒子と、高分子電解質）と、分散媒と、を少なくとも含む液（触媒層形成用インク）を調製し、これを用いて作製することができる。
【００４８】
次に、図３に示す第１実施形態の膜−電極接合体３について説明する。
【００４９】
膜−電極接合体３は、一対の触媒層６を覆うようにして略矩形状の主面を有する一対のガス拡散層７がそれぞれ配置されていること以外は、図２に示した膜−触媒層接合体２と同様の構成を有している。ガス拡散層７の主面の面積は、触媒層６の主面の面積以上であることが好ましい。
【００５０】
さらに、ガス拡散層７の周縁部は、第１膜補強部材８Ａ及び第２膜補強部材８Ｂの内縁部の少なくとも一部を覆うように配置されていることが好ましい。例えば、ガス拡散層７の周縁部の端部は、高分子電解質膜５の厚み方向から見て、膜−触媒層接合体２の第１膜補強部材８Ａ上及び第２膜補強部材８Ｂ上に配置された状態となっていることが好ましい。この構成により、膜−電極接合体３の締結時において、ガス拡散層７の周縁部の端部が、高分子電解質膜５に直接接触することがなく、高い耐久性をより確実に得ることができる。
【００５１】
例えば、ガス拡散層７としては、ガス透過性を持たせるために、高表面積のカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパー又はカーボンクロスなどを用いて作製された、多孔質構造を有する導電性基材を用いてもよい。また、十分な排水性を得る観点から、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子などをガス拡散層７の中に分散させてもよい。さらに、十分な電子伝導性を得る観点から、カーボン繊維、金属繊維又はカーボン微粉末などの電子伝導性材料でガス拡散層７を構成してもよい。
【００５２】
また、ガス拡散層７と触媒層６との間には、撥水性高分子とカーボン粉末とで構成される撥水カーボン層を設けてもよい。これにより、膜−電極接合体における水管理（膜−電極接合体の良好な特性維持に必要な水の保持、及び、不必要な水の迅速な排水）をより容易かつより確実に行うことができる。
【００５３】
次に、図４に示す第１実施形態の燃料電池４について説明する。
【００５４】
燃料電池４は、主として、図３に示した膜−電極接合体３と、ガスケット９と、セパレータ１０とから構成されている。
【００５５】
ガスケット９は、膜−電極接合体３に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの外部へのリーク防止や混合を防止するため、膜−電極接合体３の周囲に配置される。
【００５６】
膜−電極接合体３の外側には、膜−電極接合体３を機械的に固定するための一対のセパレータ１０が配置されている。セパレータ１０の膜−電極接合体３のガス拡散層７に接触する内面には、酸化剤ガス又は燃料ガスを膜−電極接合体３に供給し、かつ、電極反応生成物、未反応の反応ガスを含むガスを反応場から膜−電極接合体３の外部に運び去るためのガス流路１３が形成されている。
【００５７】
ガス流路１３はセパレータ１０とは別に設けることもできるが、図４の燃料電池４においては、セパレータ１０の内面に設けられた溝からなるガス流路１３を有する構成が採用されている。
【００５８】
また、セパレータ１０は、膜−電極接合体３と反対の側の外面に、切削加工などにより設けられた溝からなる冷却水流路（図示せず）が形成された構成を有していてもよい。
【００５９】
このように、１対のセパレータ１０の間に膜−電極接合体３を固定し、例えば、一方のセパレータ１０のガス流路１３に燃料ガスを供給し、他方のセパレータ１０のガス流路１３に酸化剤ガスを供給することで、数十から数百ｍＡ／ｃｍ２の実用電流密度通電時において一つの燃料電池４で０．７〜０．８Ｖ程度の起電力を発生させることができる。ただし、通常、高分子電解質形燃料電池を電源として使うときは、数ボルトから数百ボルトの電圧が必要とされるため、実際には、燃料電池４を必要とする個数だけ直列に連結し、いわゆるスタック（図示せず）として使用する。例えば、複数の燃料電池４を積層した積層体を、対向配置された２枚のエンドプレートの間に配置し、締結した状態をしたスタックとして使用する。
【００６０】
［第２実施形態］
図５は本発明の膜−膜補強部材接合体の第２実施形態の基本構成の一例を示す図であって、（ａ）は膜−膜補強部材接合体１の一方の面から見た平面図、（ｂ）は膜−膜補強部材接合体１の他方の面から見た平面図である。図５において、図１と同一符号は同一又は相当ずる部分を示す。
【００６１】
図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態の第２膜補強部材８Ｂは、開口部を有する環状の形状を有しており、その開口部の内縁部の全周にわたって波状の形状を有する第２波状部分２１を有している。この第２波状部分２１は、第２膜補強部材８Ｂの開口部の中心側に突出するように形成された複数の第２凸部２２１を有している。複数の第２凸部２２１の間の部分をそれぞれ複数の第２凹部２２２と呼ぶ。これ以外の点は第１実施形態と同様である。
【００６２】
本実施形態の膜−膜補強部材接合体１は、高分子電解質膜５の厚み方向から見た場合、第１膜補強部材８Ａの第１凸部１１１の少なくとも一部と第２膜補強部材８Ｂの第２凹部２２２の少なくとも一部とは、互いに重なるように配置されている。即ち、本実施形態の膜−膜補強部材接合体１は、高分子電解質膜５の厚み方向から見て、第１凸部１１１のうち開口部の中心側に位置する部分と第２凹部２２２のうち開口部の外側に位置する部分とは、互いに重なるように配置されている。
【００６３】
また、本実施形態の膜−膜補強部材接合体１は、高分子電解質膜５の厚み方向から見た場合、第１膜補強部材８Ａの第１凹部１１２の少なくとも一部と第２膜補強部材８Ｂの第２凸部２２１の少なくとも一部とは、互いに重なるように配置されている。即ち、本実施形態の膜−膜補強部材接合体１は、高分子電解質膜５の厚み方向から見て、第１凹部１１２のうち開口部の外側に位置する部分と第２凸部２２１のうち開口部の中心側に位置する部分とは、互いに重なるように配置されている。
【００６４】
上述の構成により、本実施形態の膜−膜補強部材接合体１は、従来の膜−膜補強部材接合体に比べて、高分子電解質膜５の厚み方向から見た場合に、第１膜補強部材８Ａの内縁部の端面と第１膜補強部材８Ｂの内縁部の端面とが重なる部分を減らすことができる。そのため、従来の膜−膜補強部材接合体に比べて、締結した際に高分子電解質膜５の周縁部に圧力が集中してかかることを抑制することができる。これにより、高分子電解質膜５の周縁部における機械的ストレスを緩和し、高分子電解質膜５の劣化を抑制することができる。
【００６５】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００６６】
例えば、上述した本発明の実施形態については、第１膜補強部材８Ａは、その内縁部の全周にわたり第１波状部分１１が設けられている態様について説明したが、これに限定されるものではない。第１膜補強部材８Ａに設けられる第１波状部分１１は、本発明の効果を得られる範囲において、第１膜補強部材８Ａの内縁部の少なくとも一部に設けられていればよい。また、第２膜補強部材８Ｂの第２波状部分２１についても、第１波状部分１１と同様に、本発明の効果を得られる範囲において、第２膜補強部材８Ｂの内縁部の少なくとも一部に設けられていればよい。
【００６７】
また、例えば、第１波状部分１１及び第２波状部分２１の形状として、その内縁部の端面が波線状となる態様について説明したが、これに限定されるものではない。本発明の効果を得られる範囲において、第１波状部分１１及び第２波状部分２１の内縁部の端面の少なくとも一部が直線状に設けられていてもよい。また、例えば、第１凸部１１１及び第２凸部２２１は、高分子電解質膜５の厚み方向から見て、三角形、台形及び矩形のいずれかの形状を有する構成であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明の膜−膜補強部材接合体、膜−触媒層接合体、膜−電極接合体は、高分子電解質膜の機械的な劣化が少ない高分子電解質形燃料電池の部品として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】図１は本発明の膜−膜補強部材接合体の第１実施形態の構成を示す図であって、（ａ）は本発明の膜−膜補強部材接合体をその厚み方向の一方の側から見た平面図、（ｂ）は他方の側から見た平面図、（ｃ）は（ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面を示す断面図、（ｄ）は（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面を示す断面図
【図２】図２は本発明の第１実施形態の膜−触媒層接合体の構成を示す断面図
【図３】図３は本発明の第１実施形態の膜−電極接合体の構成を示す断面図
【図４】図４は本発明の第１実施形態の燃料電池の構成を示す断面図
【図５】図５は本発明の膜−膜補強部材接合体の第２実施形態の構成を示す図であって、（ａ）は本発明の膜−膜補強部材接合体をその厚み方向の一方の側から見た平面図、（ｂ）は他方の側から見た平面図
【符号の説明】
【００７０】
１    膜−膜補強部材接合体
２    膜−触媒層接合体
３    膜−電極接合体
４    燃料電池
５    高分子電解質膜
６    触媒層
７    ガス拡散層
８Ａ    第１膜補強部材
８Ｂ    第２膜補強部材
９    ガスケット
１０    セパレータ
１１    第１波状部分
１３    ガス流路
２１    第２波状部分
【図１】
2010108803.tif 000003
【図２】
2010108803.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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